现场可编程门阵列技术在超声诊断仪信号处理系统中的应用分析

李 卉

现场可编程门阵列技术在超声诊断仪信号处理系统中的应用分析

李 卉①

目的：分析现场可编程门阵列(FPGA)技术在B型超声诊断仪信号处理系统中的应用，以期对超声诊断仪信号处理的进一步发展提供理论基础。方法：以FPGA技术在超声诊断仪信号处理系统中的应用分析为研究对象，通过文献研究法对相关原理进行分析。结果：通过对FPGA技术的分析，在超声诊断仪信号处理系统中得到了准确、广泛的应用。结论：FPGA技术全面提高超声诊断仪信号处理系统的可靠性和灵活性，使之向模块化、微型化、多样化、系列化以及数字化方向飞速发展。

现场可编程门阵列技术；超声诊断仪；信号系统；应用

[First-author’s address] Assets and Equipment Office of Xiangya Hospital, Central South University, Hunan 410008, China.

近年来，随着现代信号处理技术的不断发展，人们对超声诊断仪性能要求的不断提高，超声诊断仪的逻辑控制器件由采用中、小规模的集成芯片发展到应用现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)技术[1]。FPGA将逻辑控制部分带入超大规模集成电路(very large scale integration，VLSI)的水平，使数字信号处理系统由VLSI数字信号处理(digital signal processing，DSP)器件、存储器件和FPGA器件3个模块实现[2]。由于FPGA技术具有较高的灵活性和可移植性，降低了功耗，同时还可以方便地对设计进行在线修改，因此FPGA在超声诊断仪信号处理中得到了广泛应用。本研究着重分析FPGA技术在超声诊断仪信号处理系统中的应用，以期对超声诊断仪信号处理的进一步发展有所帮助。

1 FPGA技术的原理

FPGA采用逻辑单元阵列(logic cell array，LCA)，包括可配置逻辑模块(configurable logic block，CLB)、输入输出模块(input output block，IOB)和内部连线(Interconnect)3个部分[3]。FPGA是可编程器件，利用小型查找表(16×1 RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，而这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。同时也可实现系统在线重构，构建一个根据计算任务不同而实时定制的CPU。FPGA也由未完成的逻辑阵列所组成，通过将逻辑阵列相连接来完成其功能(如图1所示)。

图1 FPGA技术的基本原理图

2 FPGA技术在超声诊断仪信号处理系统中的应用流程

FPGA技术在超声设备的采样控制和显示控制中得到重要的应用，用FPGA实现数字扫描转换器(digital scan converter，DSC)，其运行速度快，结构简单，修改、调试方便，系统可靠性高[4]。FPGA技术在超声诊断仪器信号处理系统中的应用流程如图2所示。

图2 FPGA控制超声诊断仪信号发射电路流程图

3 FPGA技术在B型超声诊断仪信号处理中的应用

在现代超声诊断设备中B型超声设备是在医学中应用最广泛的系统，B超可以动态实时的对组织结构信息进行成像，结合其他一些成像技术还可以形成更先进的成像系统，如三维超声成像系统。B型超声成像过程主要包括动态滤波、包络检波、二次采样、对数压缩及坐标转换等(如图3所示)。

图3 B型超声图像成像流程图

3.1 基于FPGA的FIR滤波器设计采样分布式算法

分布式算法的核心思想是将滤波过程中乘积和运算转化成移位、加和(或)减法及查表操作[5]。基于FPGA实现式分布式算法的计算过程如图4所示。

滤波器参数输入窗口输入想要的参数，即可求得其频谱响应及滤波器系数等。直接将设计的滤波器转化成用硬件描述语言(hardware description language，HDL)描述的代码，而生成的HDL代码，直接添加到FPGA开发工程中。

图4 基于FPGA的FIR滤波器设计采样分布式算法示图

3.2 基于FPGA的包络检波

数字B型超声系统中，最简单的包络检波法是低通滤波法，利用FPGA技术可以轻易实现低通滤波法。包络检波模块先对输入数据求绝对值，再通过截止频率为3 MHz的四阶无限脉冲响应(infinite impulse response，IIR)低通滤波器，实现了信号的包络检波处理[6]。输入的16位数据首先经过一个两阶IIR滤波器，输出一路32位的信号；再经过一个两阶IIR滤波器滤波，从而实现四阶IIR低通滤波，输出32位信号；由于该IIR带通滤波器的增益为1，因此信号经过滤波器，数据位宽不变，将30位信号经过移位寄存器，输出16位信号。包络检波后的数字信号处理过程不再需要输出线性相位特性，IIR滤波器可以用较低的阶数实现满足频谱特性的低通滤波器，能节省FPGA资源。

3.3 基于FPGA的二次采样

回波信号经包络检波后，信号频谱主要集中在低频部分。超声回波信号处理过程中的二次采样便是对回波信号降低频率采样过程。二次采样是在最大程度上保留有用信息的基础上降低了信号的采样频率。

二次采样的实现过程即CIC滤波器实现过程，其Verilog程序实现流程如图5所示。

图5 基于FPGA设计CIC滤波器程序实现流程图

基于FPGA设计级联积分梳状(cascade integrator comb，CIC)滤波器结构实际上是一阶IIR滤波器和一阶FIR滤波器的级联，而且这些滤波器系数为1或-1，无乘法运算。信号经过抽取因子为4的抽取

后，信号采样率已经由40 MHz降为10 MHz，梳状滤波器即工作在10 MHz时钟频率下，因此程序中需要时钟的分频模块。FPGA中时钟的分频使用集成在FPGA中专用时钟管理单元(clock manager tile，CMT)来完成，这样得到的分频时钟相位，占空比等参数才能满足要求[7]。

3.4 基于FPGA的对数压缩

基于FPGA实现的对数压缩过程有两种实现方法：即查表法和坐标旋转数字计算机算法[8]。利用查找法实现对数压缩思路是，先将可能的输入信号x按对数关系映射为y，然后把得到的这些y值建立查找表，以x的值作为查找表的输入地址，从而实现了输入数据的对数运算(公式1)：

式中k、p为常量。

3.5 基于FPGA的坐标转换

超声波脉冲从左到右每隔一个角度e发射一束超声脉冲信号，发射N个超声脉冲信号后完成了一帧图像的扇形扫描(如图6所示)。

图6 B型超声扇形扫查方式示意图

在扇形扫描方式下，回波信号各个采样点对应的极坐标系中的位置/(p，0)，而显示终端设备中像素点的位置是用直角坐标系表示(如图7所示)。

图7 直角坐标系和极坐标系的关系图

设在图7中要显示直角坐标系中点p对应的像素点的值，需要求出对应的极坐标系中点(p，0)的半径坐标p和弧度角e。同一点在直角坐标系和极坐标系中对应关系如公式2：

公式2显示，坐标转换过程实际上是求在直角坐标系中以p(x0，y0)为顶点的向量对应的模和旋转角，利用FPGA实现向量的求模和旋转角运算。

3.6 基于FPGA的B超回波信号处理过程的仿真

在各个模块单独调试成功后需要将这些模块整合为一个程序，然后再进行调试并下载到FPGA中[9]。在硬件程序下载到FPGA中之前有必要对程序进行整体的仿真验证，因为回波信号处理过程中每个环节算法的选取、参数的确定均可直接影响最终的成像效果，为了得到最佳的成像效果，需要在仿真中找到合适的实现算法和参数。

3.7 基于FPGA的B型超声成像

超声诊断仪后端数字信号处理过程是直接将射频数据保存在FPGA中，在FPGA中存储部分原始射频数据，基于FPGA的B型超声成像流程如图8所示。

图8 基于FPGA的B型超声成像程序流程图

只读存储器(read only memory，ROM)模块用于存储原始的超声射频数据，可以通过例化FPGA中双极随机存取存储器(bipolar random access memory，BRAM)的方法得到；数字信号处理模块主要包括动态滤波、包络检波、二次采样、对数压缩及坐标转换等；BRAM模块用于缓存处理后得到的射频数据[10]；视频图形阵列(video graphic array，VGA)时序控制用于产生视频数据输出的时序控制信号；时钟管理则用于缓存全局时钟、对时钟分频及时钟相移等[11]。

4 结语

目前，随着数字信号处理技术的不断发展，FPGA技术在超声诊断仪中得到越来越广泛的全面应用，有效提高了超声诊断仪信号处理系统的可靠性和灵活性，使之向模块化、微型化、多样化、系列化以及数字化方向飞速发展。

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Research on FPGA technology and its application in ultrasonic signal processing systems/

LI Hui// China Medical Equipment,2015,12(4):22-25.

Objective: To analyze FPGA technology in diagnostic ultrasound B signal processing system in order to provide a theoretical basis for the further development of diagnostic ultrasound signal processing. Methods: Analysis of FPGA technology in diagnostic ultrasound signal processing system for the study through literature study to analyze the relevant principles. Results: FPGA to be more widely used in ultrasonic diagnostic apparatus in full. Conclusion: It comprehensively improved the reliability and flexibility of ultrasound diagnostic signal processing system, making the modular, miniature, diversification, serialization and the rapid development of digital direction.

Field programmable gate array technology; Ultrasonic diagnostic apparatus; Signal systems; Application

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.007

1672-8270(2015)04-0022-04

R445.1

A

李卉,女,(1971- ),硕士，工程师。中南大学湘雅医院资产与装备办公室，从事医疗设备维护及管理工作。

2014-05-12

①中南大学湘雅医院资产与装备办公室 湖南 长沙 410008